CN111877083A - 可承重地聚合物基层蓄水道路 - Google Patents
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Abstract
本发明提出不同于目前传统海绵城市模式的新型道路概念——可承重的蓄水道路(可承重地聚合物基层蓄水道路)。道路结构包括从上到下的透水沥青层，透水混凝土层，地聚合物蓄水层，水泥混凝土下封层；在道路结构边部有水泥混凝土边封层，水泥混凝土边封层底部设置排水阀门。地聚合物蓄水层凝胶材料为地聚合物凝胶，骨料为开级配粗骨料；地聚合物凝胶由铝硅氧化物(Si2O5，Al2O2)和碱激发剂混合制备，凝胶中元素和化合物摩尔比为：Si/Al＝1.8～2.5，Al/Na＝0.8～1.2，H2O/Na2O＝13.5～17.0；地聚物蓄水层抗压强度满足高速公路、一级道路基层标准；蓄水道路能够在市政排水系统完全瘫痪的情况下，承受暴雨(50mm/d～100mm/d)9～17个小时的降雨量。
Description
技术领域
本发明提出不同于现在传统海绵城市模式的新型道路概念---可承重的蓄水道路(基层承重标准满足中国高速公路、一级公路强度要求)，能够在市政排水系统完全瘫痪的情况下，承受暴雨(50mm/d～100mm/d)9～17个小时的降雨量。核心点是利用地聚合物代替水泥作为蓄水道路基层的凝胶材料。
背景技术
目前海绵城市主要模式有绿色屋顶，生物滞留(湿地花园等)，透水路面。绿色屋顶主要应用于高密度建筑城市，且受楼层影响很大；生物滞留多以湿地花园，下凹式绿地形式出现，对于老城区改造难度很大；透水路面多以不承重人行道为主，水流终端是市政排水管网，部分海绵城市社区也有PP蓄水模块配合透水路面进行使用(仍然不能承重)。海绵城市有六个要素，即“渗、滞、蓄、净、用、排”。目前传统海绵城市的三种主要模式对雨水的处理效果都不全尽人意，比如今年(2020)夏季，中国长江流域出现大范围降雨，江西等地出现非常严重的洪涝灾害，就连进行大量海绵城市改造的武汉，也经常出现道路积水的情况。目前传统海绵城市模式改造后，城市仍频繁面临洪涝和积水的困境，主要原因在于“蓄”这一环节出现问题。绿色屋顶能够储蓄的雨水非常有限(不连接大型蓄水池的情况下)；生物滞留尤其是湿地花园，虽然能够对雨水直接进行收集，但是收集雨水量受湿地规模和湿地深度影响很大，并且在老城区很难进行大规模湿地花园的改造；透水路面的雨水终端仍然是市政排水管网(部分社区有蓄水模块)，在暴雨情况下，通过透水路面的雨水难以进入已经处于负荷状态下的市政排水系统。
综上所述，目前传统海绵城市模式存在以下问题：1.道路不能蓄水。城市经过传统海绵城市模式改造后，在面对暴雨时仍频繁出现道路积水，洪涝灾害等现象。2.改造难度大，改造成本高。3.不能承重。透水路面大部分用于人行道或者轻型道路，社区中包含PP蓄水模块的透水路面则几乎不可能达到城市一级、二级道路承载标准。
发明内容
本发明提出了不同于目前传统海绵城市模式的一种新型道路概念---可承重的蓄水道路(可承重地聚合物基层蓄水道路)，同时对蓄水道路新型材料和结构进行说明。本发明目的是解决传统海绵城市模式道路不能蓄水，改造种类多，施工工艺复杂，不能承受重型荷载的问题。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
可承重地聚合物基层蓄水道路，结构包括从上到下的透水沥青层，透水混凝土层，地聚合物蓄水层，水泥混凝土下封层；在道路结构边部有水泥混凝土边封层，水泥混凝土边封层底部有排水阀门，排水阀门连接地聚合物蓄水层和市政排水管网(或直接抽取水进行利用)。
所述透水沥青层质量标准应满足相应规范(CJJ/T 190-2012)。
所述透水混凝土层质量标准应满足相应规范(CJJ/T 190-2012，CJJ/T135-2009)。
所述地聚合物蓄水层凝胶材料为地聚合物凝胶(脱水缩聚后为地聚合物)，骨料为开级配粗骨料，层厚在300mm～750mm之间。
进一步地，所述地聚合物凝胶由铝硅氧化物(Si2O5，Al2O2)和碱激发剂混合制备。
进一步地，铝硅氧化物通常由铝硅盐水化聚合物制备。铝硅盐水化聚合物通常包含高岭土，黏土，废旧混凝土粉。
进一步地，本发明铝硅氧化物为偏高岭土(煅烧高岭土)。
进一步地，所述碱激发剂制备方法为：1.混合强碱粉末(NaOH或KOH)和液体水玻璃(Na2O·nSiO2)。2.混合纳米二氧化硅(SiO2)粉和氢氧化钠(NaOH)溶液。3.混合高模数液体水玻璃和低模数液体水玻璃。本发明使用混合强碱粉末(NaOH)和液体水玻璃(Na2O·nSiO2)方式。
进一步地，所述地聚合物凝胶的配方取决于凝胶骨料附着度和最终强度(骨料和凝胶的混合物)；凝胶中元素及化合物摩尔比(MR)范围为下表1：
表1
| Si/Al | 1.8～2.5 |
| Al/Na | 0.8～1.2 |
| H<sub>2</sub>O/Na<sub>2</sub>O | 13.5～17.0 |
进一步地，所述地聚合物凝胶中可添加凝胶质量(M)1.7％～6.8％的甲基硅酸钠(CH5SiO3Na)作为前期防水剂和增粘剂(附着骨料)，并提高地聚合物的抗老化、耐腐蚀性(CH3-)。
进一步地，所述开级配骨料粒径在4.75mm～10mm，10mm～20mm，或者16mm～31.5mm之间，骨料占总重(骨料+地聚合物凝胶)的70％～85％。
所述排水阀门开关可控制(机械控制或电子控制)，排水阀门控制排水管道的水流量，排水管道可选取常规市政排水管(混凝土管(CP)或钢筋混凝土管(RCP))。设置排水管道，是为了引导水流进入不处于负荷状态时的市政排水系统(错峰)，或者直接抽取水加以利用。
所述水泥混凝土下封层为10cm～20cm水泥混凝土层(强度≥C35)，水泥混凝土下封层铺在土基上方，水泥混凝土下封层与地聚合物蓄水层接触面做防水。
所述水泥混凝土边封层为10cm～20cm水泥混凝土层(强度≥C35)，水泥混凝土边封层位于道路边部，水泥混凝土边封层与道路结构接触面做防水。
本发明有益效果：
本发明提出的新型概念---蓄水道路不属于传统海绵城市模式。与传统海绵城市模式相比，本发明具有以下优点：
1.能承受重型荷载。地聚合物蓄水层抗压强度5.5MPa以上(高速公路、一级公路3～5MPa)。
2.道路能够蓄水。地聚合物蓄水层孔隙率在28％～40％之间。以道路面积率为15％计算(实际上应超过15％，地聚合物蓄水层不仅可用于行车道路，还可用于人行道，广场等)，蓄水道路能够在城市市政排水管网处于负荷状态完全不工作的情况下，容纳暴雨(50mm/d～100mm/d)9～17小时的降雨量，整个道路基层充当超大型“蓄水池”。
3.施工工艺简单。地聚合物蓄水层施工方式和常规道路水泥稳定碎石施工方式一致。不同点是地聚合物充当强力凝胶材料(代替水泥)使用。
4.耐腐蚀，使用寿命长。地聚合物主要化学键为硅氧键(Si-O)和铝氧键(Al-O)，耐水，耐强酸，耐高低温。且加入的甲基硅酸钠(CH5SiO3Na)，能在地聚合物表面形成一层保护膜(CH3-)，进一步提高聚合物的耐化学腐蚀性。
5.具有发展潜力的性价比。如果铝硅氧化物材料国外进口，40cm地聚合物蓄水层造价约为550-650元/m3之间，如果选取国内铝硅氧化物材料(涉及新型生产工艺，目前国内少见(目前国内没有工厂专业生产适用于地聚合物反应的铝硅氧化物，但并非技术瓶颈，而是还未意识到高活性硅铝氧化物的商业价值))，造价可降低为前者的1/4～1/3左右，即大约140～200元/m3之间。
6.可回收再利用。地聚合物在强碱环境下(PH＞14)能够分解重组，这种特性有利于地聚合物废料的循环再利用。
附图说明
下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步地说明。
图1为本发明(可承重地聚合物基层蓄水道路)结构图；
图中，1透水沥青层，2透水混凝土层，3地聚合物蓄水层，4阀门，5水泥混凝土下封层，6水泥混凝土边封层。
具体实施方式
如图1，可承重地聚合物基层蓄水道路结构图，包括从上到下的透水沥青层，透水混凝土层，地聚合物蓄水层，水泥混凝土下封层；在道路结构边部有水泥混凝土边封层，水泥混凝土边封层底部有排水阀门。
所述透水沥青层，透水混凝土层，水泥混凝土下封层，水泥混凝土边封层，排水阀门均有成熟技术，不再赘述。
所述地聚合物蓄水层施工工艺如下(以偏高岭土为例)：
1.准备材料并计算用量。选用偏高岭土(53％Si02，43.8％Al2O3)作为铝硅氧化物；选用分析纯(纯度≥96％)NaOH颗粒，2.3模数液体硅酸钠，和水的混合溶液作为碱激发剂；选用甲基硅酸钠作为增粘剂(可无)；选用10mm左右碎石作为骨料；并根据蓄水层规模计算用量(大约每160g偏高岭土，267g液体硅酸钠，7.6g氢氧化钠颗粒，33.5g水，1760g粗骨料可制作成一个10cm×10cm×10cm的地聚合物蓄水层立方体)。
2.配置碱激发剂。根据上文表1(发明内容)，Si/Al摩尔比选取2、Al/Na摩尔比选取1、H2O/Na2O摩尔比选取15，计算碱激发剂各材料配置量(偏高岭土提供：Si，Al；水玻璃提供：Na,Si,H2O；NaOH颗粒提供：Na,H2O(化合水))，配置完毕后静置4小时。
3.配置凝胶材料。混合偏高岭土和碱激发剂。凝胶材料需要阴凉处静置1～15小时(陈化后有特殊流变性能)。本例陈化1小时。
4.添加性能优化剂。本例添加地聚合物凝胶质量1.7％～6.8％的甲基硅酸钠作为附加材料，混合后静置20分钟。
5.添加骨料并搅拌。本例添加总重比为77.3％的粒径10mm左右粗骨料，混合后搅拌，具体方式和水稳碎石搅拌方式相同。
6.摊铺。摊铺方式和水稳碎石摊铺方式相同。
7.养护。覆膜养护4小时后，去膜自然干燥3～15天(具体干燥时间取决于所选硅铝氧化物的活性，本例干燥7天)，整个过程不需要洒水养护。
Claims (7)
1.可承重地聚合物基层蓄水道路，其特征在于：自上而下的结构为透水沥青层，透水混凝土层，地聚合物蓄水层，水泥混凝土下封层，在道路结构边部有水泥混凝土边封层，水泥混凝土边封层底部设置排水阀门。
2.根据权利要求1所述的地聚合物蓄水层，其特征在于：凝胶材料为地聚合物凝胶，骨料为开级配粗骨料。
3.根据权利要求2所述的地聚合物凝胶，其特征在于：所选硅铝氧化物为偏高岭土、粉煤灰或处理后的废旧混凝土粉。
4.根据权利要求2或3所述的地聚合物凝胶，其特征在于：地聚合物凝胶配方取决于凝胶骨料附着度和最终强度(骨料和凝胶的混合物)；凝胶中元素及化合物摩尔比范围为：Si/Al＝1.8～2.5，Al/Na＝0.8～1.2，H2O/Na2O＝13.5～17.0。
5.根据权利要求2、3或4所述的地聚合物凝胶，其特征在于：凝胶在配置完毕后需要陈化1～15小时。
6.根据权利要求2、3、4或5所述的地聚合物凝胶，其特征在于：陈化后添加甲基硅酸钠(CH5SiO3Na)作为性能优化剂，添加量为凝胶质量的1.7％～6.8％。
7.根据权利要求1或2所述的地聚合物蓄水层，其特征在于：摊铺后需要覆膜养护4～20小时，然后去膜干燥3～15天。
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